基于CC2530的电梯速度及机房温度监测系统的设计

李 文 李 炎

（1.安徽机电职业技术学院，安徽 芜湖241000；2.芜湖市特种设备监督检验中心，安徽 芜湖241000）

0 引言

随着我国城市化进程的加快，电梯作为高层建筑的重要设备为人们所熟悉，尤其是近年来在经济发展的刺激下，电梯数量更是激增。在安装和使用电梯时，许多建筑为了减少公摊、降低能耗，往往都采用小机房，在这样的情况下，机房温度往往非常高，在炎热的夏天甚至能超过40℃。然而，根据GB7588—2003的要求，电梯运行温度为5～40℃，这就是说，小机房电梯无法在正常状态下运行，久而久之会引起许多部件的老化，甚至会直接引起主板和变频器故障，带来许多很难查找的软故障。因此，电梯机房温度成为电梯故障检测的关键。本文将设计一套系统，基于ZigBee、加速度传感器和温湿度传感器实现对机房温度的即时检测和实时监控。

1 电梯速度及机房温度监测系统

1.1 ZigBee技术

ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的无线通信技术，其包括应用层、ZigBee平台通信栈和硬件实现3个层次，主要特性是功耗低、成本低、可靠性高、容量大、时延小、安全性好、有效范围小、兼容性高。主要应用于短距离、低速率、抗干扰能力强、不易进行繁琐布线且需要长时间对某项数据进行监控的场合。

1.2 监测系统组成

系统由终端设备、路由器、协调器、监控平台构成，路由器和终端设备分别安放在不同电梯的机房，用以采集电梯机房的温度，并进行相关的预处理和发送工作。路由器将采集和预处理的数据传到协调器上，协调器再通过RS485将相应数据传给上位机，由上位机完成对所采集的数据的最终监控和处理，并提供监控和报警功能。系统总体框架如图1所示。

图1 系统总体结构图

2 监控节点硬件设计

2.1 监控节点结构

电梯机房温度通过DHT11进行实时采样，电梯速度通过ADXL345进行实时采样，并对采集到的温度、速度进行初步处理，将处理后的信号传至协调器，再通过路由器转发经过初步处理的数据。监控节点由CC2530、DHT11、ADXL345和电源模块构成，硬件结构如图2所示。

图2 监控节点结构图

2.2 主控芯片

CC2530是基于2.4GHz IEEE802.15.4、ZigBee和 RF4CE的一个片上系统解决方案，其硬件价格便宜，软件实现也很简单。由于研发和生产成本较低，特别适用于需要多节点、易组网、可靠性高的场合。CC2530采用标准的增强型8051CPU，具有可编程闪存、8kB的RAM等其他强大功能，并配备了具备抗干扰性能的2.4GHz RF收发器。CC2530有4种不同的闪 存 版 本：CC2530F32／64／128／256，分 别 具 有 32／64／128／256kB的闪存。CC2530具有多种运行模式，不同模式之间转换快速，特别适用于要求超低功耗的系统。

2.3 温湿度检测模块

监控节点中采用DHT11采集温度，其与MCU采用串口连接，使用单总线数据格式。向MCU传送的数据分为小数部分和整数部分（当前小数部分读为0，以备后用），完整的数据传输为40位（高位先出）：第1～8位输出湿度的整数部分，第9～16位为湿度的小数部分，第17～24位为温度的整数部分，第25～32位为温度的小数部分，第33～40位为前面4个部分相加所得结果的最后8位。具体工作方式：主机向DHT11发送一次请求响应的信号，当DHT11接收到这个信号以后向主机发送一次响应信号，然后将40位数据一起发出，紧接着进行一次数据采样。DHT11只能由主机开始信号触发才能开始工作。当主机发出开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。我们要做的是：（1）主机将总线拉低，持续18ms后再拉高。（2）等待DHT11的响应信号。（3）延时后开始读取数据。（4）处理数据。本设计将DHT11的1pin接3.3V电源，4pin接地，2pin接CC2530的P0＿0，如图3所示。

图3 DHT11连接示意图

2.4 速度检测模块

监控节点中的速度检测模块采用ADXL345，它采用3V电池供电，可连接到使用I2C数字通信协议的处理器。将ADXL345的CS引脚连接到板上的VS，就可选择I2C模式了。SDA和SCL分别为I2C总线的数据和时钟引脚，将VDD连接到电源模块输出的3V电压，将3个GND引脚接地，把ADXL345的SDO连接到CC2530的P1＿0引脚。将ADXL345的INT1和INT2连接到CC2530的IEN0和IEN1，以产生中断信号。

2.5 射频模块

考虑到传输距离，为尽量减少传输中丢帧，通过比较射频模块设计时应选用鞭状天线。CC2530模块采用SMT工艺批量生产，可靠性高，模块工作在2.4GHz频段，需要一个平衡—不平衡变换器。考虑到安装和使用方便，需尽量减小模块体积。在射频部分布线时，将外围器件紧密地分布在CC2530周围，以尽可能降低串拢和分布参数的影响。为减少电磁干扰，提高抗干扰能力，CC2530暴露的衬垫要可靠接地。

2.6 电源模块

电源模块采用两片深圳市弘毅电子DC－DC升压模块，工作频率为1.2MHz，效率高于95%，使用一个板载的电位器来调整电压大小。整个电源板体积小，输入和输出端采用焊线的方式连接。为使输出的波形保持为低纹波，采用多个TDK大容量陶瓷电容并联进行滤波。全磁屏蔽电感设计，无辐射。Vin＋输入正，Vin－输入负，Vout＋输出正，Vout－输出负。其中一片可输出3.3V电压为CC2530和DHT11供电，另一片可输出3V电压为ADXL345供电（图4）。

图4 系统硬件示意图

3 系统软件设计

系统软件设计采用TI公司免费提供的Z－Stack，它是与CC2530射频芯片配套的ZigBee协议栈。使用瑞典公司IAR开发的软件来开发具体的应用程序，其核心思想是提供一个OSAL的协议栈调度程序。用户无法知道ZigBee协议栈的具体细节，在进行应用开发时调用API可实现ZigBee协议栈各层的相应任务。

软件处理流程如图5所示。ZigBee协调器是整个网络的“大脑”，主要功能是管理网络节点及储存节点信息。它也是网络的第一个设备，当节点请求加入网络时，协调器负责选择一个信道和一个网络ID建立通信链路及路由，并完成数据包的发送。ZigBee协调器完成网络的启动和配置后，数据采集设备通过路由器加入网络，建立通信链接，采样到数据后处理，并通过路由器进行数据汇集和转发，被协调器接收后将按照网络地址储存。通过程序处理后，再通过RS485接口将数据发送至监控平台。温度、速度路由节点的采样流程如图6所示。

图5 系统软件示意图

图6 路由器节点采样示意图

4 性能测试

系统在某小区应用，我们选取该小区其中3台电梯的机房进行测试，这些电梯都属于小机房电梯，机房面积仅为普通机房的1／3，同时，由于通风状态不是非常好，造成夏天的时候机房温度往往高于40℃。测试中，在每个机房中各放置一个温度检测节点，协调器通过RS485接口与监控平台通信。表1为某一电梯机房内温度33.6℃时传输到上位机的测量值与实际测得值的比较，其中传输到上位机的测量值是通过温湿度传感器测量出来的，实际测得值是通过经过检定的温湿度计读出的。数据表明温度误差值最大为0.3℃，经过分析，误差原因是传感器的测量精度比经过检定的温湿度计差，因而是完全可以满足使用要求的。

表1 系统性能测试结果

5 结语

该系统通过终端设备进行机房温度采集，再汇聚到路由器，然后通过路由器发送至协调器，最后通过RS485传输给上位机，从而完成整个监控过程。其中，终端设备采用CC2530为核心，由DHT11、ADXL345采集数据，这样的组合结构简单、传输效率高、检测精度高、可靠性强，且检测节点的功耗很低，便于长期对机房温度进行全方位监控。同时，由于免除了布线的繁琐，安装难度大大降低，这就大大增强了这一系统的通用性和实用性，使之便于广泛推广应用。

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